寒冷地區農宅外墻外保溫復合墻體節能分析★

裴俊華，馬云龍，劉維珩，侯 斌

（1.甘肅林業職業技術學院，甘肅 天水 741020； 2.甘肅建投土木工程建設集團有限責任公司，甘肅 蘭州 700070）

近年來，隨著經濟社會的快速發展以及城鄉一體化的迅速推進，我國的經濟建設以及建筑業飛速發展，由此也帶來了能源消耗的持續增長，國家能源安全和可持續發展面臨較大挑戰。建筑消耗了社會40%的能源，并產生36%的溫室氣體［1］。在此背景下，建筑業的節能減排已成為我國甚至全球可持續發展道路上關注的重點問題［2］。并且隨著經濟的發展和城鄉一體化進程的快速推進，按照2020年末統計數據，全國住宅存量約607億m2，城市218億m2，鎮157億m2，農村232億m2［3］，村鎮建筑面積超過全國住宅存量的一半以上。伴隨著城鎮化水平的不斷提高和鄉村振興戰略的實施，村鎮建筑面積及其能耗所占的比重也將會越來越大。

我國是人口大國，也是農業大國，村鎮住宅建筑面積占比大于全國范圍住房總面積的50%，人民生活水平不斷提高，農村人均住宅面積不斷增加，村鎮住宅品質不斷提升，也迫切需要提高村鎮住宅的節能水平［4］。現階段已建成的一部分農宅其保溫隔熱效果較差，導致建筑能耗較高，居住舒適性也較差。隨著 “十四五” 建筑節能與綠色建筑發展規劃的提出，對農宅進行節能設計與建造的觀念越來越深入人心，這對于減少農宅建筑能耗損失、促進美麗鄉村建設具有十分重要的現實意義。因此，對現有的材料進行開發并且研制新型的綠色建筑材料，分析影響材料保溫性能的影響規律，進而進行相應的節能設計，對于實現減少建筑能耗和節能減排目的具有十分重要的意義。

1 農宅外墻保溫構造的主要形式

住宅的外圍護結構是建筑節能的重要組成部分，建筑圍護結構保溫主要包括墻體、門窗、屋面等結構，其中外墻傳熱能耗約占建筑傳熱總能耗的30%［5］，所以應著重對外墻采取更加合理的保溫措施。

保溫節能墻體的原理是利用導熱系數較低的材料，將其和墻體構筑在一起形成保溫復合型墻體。根據保溫層材料所處位置的不同，可以將保溫復合墻體分為三類，即外墻外保溫型復合墻體、外墻內保溫型復合墻體和外墻夾芯保溫型復合墻體（見圖1）。

圖1 保溫復合墻體的主要類型

目前農宅對于保溫材料的選取多為流行的聚苯板，其保溫效果明顯，且耐腐蝕、防潮、高抗壓。以甘肅天水地區農村建筑常用的240和370墻體為例，經過調研，發現其主要構造形式有以下幾種，如表1所示［6］。

表1 墻體保溫構造層次

外墻外保溫構造形式相比另外兩種保溫形式而言具有技術合理、施工簡單、性價比高、適用范圍廣的優勢，是目前外墻外保溫型復合墻體主要的選擇形式。本文首先對外墻外保溫復合墻體的技術特點進行了概述，其次根據傳熱學的知識，結合具體實例，對外墻外保溫型復合墻體進行相應節能分析，得到苯板厚度對傳熱系數的影響規律。

2 外保溫復合墻體的技術特點

2.1 有效提高了主體結構的耐久性

對于外墻外保溫型復合墻體，通過將保溫層設置在外墻面，阻隔了外墻面和空氣以及水分的直接接觸，外墻面被保溫層得以充分地保護，減少了外墻面以及主體結構中鋼筋結構發生化學反應的機率，避免了外墻面和主體結構因為受到環境因素影響而造成的腐蝕破壞。另外由于外墻外保溫型復合墻體將保溫層設置在建筑物結構外側，這種構造可以減輕由于如濕度、溫度變化等環境因素所導致的結構變形而產生的應力。目前外墻外保溫復合型墻體由于其自身的優越性已經得到了廣泛的應用，事實證明對于墻體和屋面產生的變形與其對應的保溫隔熱材料有關，如果選擇適當的保溫材料以及合理的材料厚度，可大大減小墻體和屋面由于溫度變化而產生的變形，頂層的橫墻斜裂縫以及其他常見裂縫也可以得到有效的消除。因此，外墻外保溫復合型墻體既可減少圍護結構因為環境因素引起的應力，并且可以對主體結構起到保護作用，從而有效地提高主體結構的耐久性。

2.2 環境舒適度得到改善

通過對外墻面采取外保溫措施后，減小了室內熱量的耗散，導致了外墻復合墻體中內部的實體墻熱容量變高，當熱量通過墻面耗散時，內部墻體可以吸收大部分熱量并且得以儲存。當室內由于外界環境導致溫度變化或者室內有熱源產生熱量，室內受到的熱作用不穩定時，由于墻體熱容量變高，室內溫度增加時會吸收熱量，室內溫度降低時會釋放熱量，這一功能將會使室溫保持一個相對穩定的狀態。另外在不同的季節和室外太陽輻射強度不同的時刻，外墻外保溫層也可以起到不同程度的調節作用，當太陽輻射較強以及室外溫度過高時，外保溫層可以適當地減小輻射量并且降低室外過高溫度對室內環境的影響。由此可見，外墻外保溫系統可使建筑物冬暖夏涼，提升居住舒適度。

2.3 墻體潮濕情況得到改善

墻體進行外保溫設計后，由于外墻面被保溫層材料覆蓋保護，而內部墻體的蒸汽滲透率較高，水汽在墻體內部不會發生冷凝現象，所以和內保溫不同的是此時不需設置隔汽層，一般情況下，內保溫須設置隔汽層，將水汽隔離開內墻面，防止墻體潮濕，外保溫則解決了這個問題，所以在施工方面比內保溫設計更簡潔方便。另外，外保溫墻體不易產生結露現象，這是由于當室內水蒸氣壓強大于室外水蒸氣壓強時，水蒸氣被氣壓由室內壓向室外，墻體是水蒸氣通過的介質材料，在墻體材料內部的水蒸氣超過相應的飽和蒸汽壓力時，就會產生結露現象，但是由于沒有設置隔熱層，此時墻體由傳熱體變為蓄熱體，墻體的內表面蓄熱系數較大使得水蒸氣通過墻體介質材料時的氣壓均小于飽和蒸汽壓，并且由于保溫層有一定的透氣性以及太陽輻射的作用，進一步避免了結露現象的產生。

2.4 避免墻體產生熱橋和內部結露

熱橋效應是指由于樓層和墻角處存在混凝土圈梁和構造柱，當室內外溫差較大時，由于混凝土材料的導熱性能要強于墻體其他材料，這就造成了墻體保溫層受熱不均勻，產生熱橋效應。熱橋效應的危害較大，會造成室內房屋墻體結露、發霉、滴水，會導致房間內的熱量大量向外流失，造成較大的供熱能源的浪費。外墻的作用不僅要承擔主體結構的重量，起到穩定結構的作用，外墻也起到阻隔熱量流失的作用。為了起到較好的保溫作用，選取較厚的外墻厚度才可以減少室內熱量的耗散，起到保溫隔熱的效果。若選用保溫性能較好的保溫材料后，墻體的厚度可以適當地減少。當保溫形式采用內保溫時，墻體厚度越薄，為了起到正常的保溫效果時，保溫層就會設置較厚，熱橋效應就會趨于明顯。在寒冷地區冬季室外溫度較低時，熱橋會造成額外的熱損失，而外保溫型復合墻體則避免這樣的問題，熱橋效應由于采用外保溫復合墻體而得到了避免。所以在當保溫材料厚度相同的情況下，采取外保溫復合墻體形式要比內保溫復合墻體形式的熱量損耗減少約20%，進而實現節約能源目的。

2.5 便于舊建筑節能改造

目前，國內許多既有村鎮住宅，依舊處于無外墻保溫層設置狀態，部分建筑外墻保溫效果差，耗能量大，冬季室內墻體結露、發霉，居住環境差。而外墻外保溫措施可很好地用于已有建筑的墻體改造，與內保溫相比，采用外保溫方式對既有建筑進行節能改造，屋內居民無須臨時搬遷，不影響用戶的室內活動和正常生活，而且一般還能夠統一提升建筑立面效果；同時，外保溫可減少保溫材料的用量，增加了房屋的室內使用面積，且避免了房屋裝修過程中內保溫層易遭破壞的現象。

3 外保溫復合墻體的節能計算

外墻體是建筑物圍護結構最重要的組成部分，外墻墻體不僅要抵御室外隨著晝夜和四季變化的氣溫，還要保證室內相對穩定、平衡的溫度和濕度。因此，墻板保溫性能在一定程度上就決定了建筑系統整體的節能和保溫性能。

3.1 復合墻體傳熱系數的計算

根據傳熱學的知識可以得到復合墻體傳熱系數計算公式如式（1）所示：

其中，K為傳熱系數；Rl=1/αl為內表面換熱熱阻；Re=1/αe為外表面換熱熱阻；αl，αe分別為內外壁與空氣的對流換熱系數；Ri=δi/λi為第i層材料的熱阻；δi為第i層的厚度；λi為第i層的導熱系數。

針對甘肅省天水市寒冷地區農村住宅，墻體尺寸為240 mm/370 mm厚度的黏土磚，外層鋪設相應厚度的EPS苯板。內外壁對空氣的對流換熱系數分別取為αl=8.7 W/（m2·K），αe=23.3 W/（m2·K）。外墻節能分析時主體構造部分見表2。

表2 外墻復合墻體各部分量值

3.2 苯板厚度設計

在外墻外保溫構造中，保溫材料EPS苯板的作用至關重要，當苯板的厚度增加時，可以實現墻體傳熱系數減小的目的，從而達到保溫效果。為了分析苯板厚度對傳熱系數的影響規律，圖2，圖3分別繪制了240 mm和370 mm磚墻厚下的傳熱系數隨EPS苯板厚度的變化曲線。對比圖2，圖3可知370 mm墻厚的傳熱系數要小于240 mm墻厚的傳熱系數，這說明了370 mm厚的復合墻體的保溫隔熱效果要優于240 mm墻厚的保溫隔熱效果。并且從圖2，圖3均可以看出隨著EPS苯板厚度的增加，傳熱系數在隨之變小，當EPS苯板厚度大于130 mm厚時，減小的幅度變小。這說明了實際工程中復合墻體的保溫隔熱效果隨著EPS苯板厚度的增加而增加，當EPS苯板厚度增加到一定程度時，傳熱系數的變化并不明顯，即在實際工程中盲目的增加苯板的厚度實際上對墻體的保溫效果變化影響并不明顯。

圖2 240 mm厚磚墻復合墻體傳熱系數變化曲線

圖3 370 mm厚磚墻復合墻體傳熱系數變化曲線

為了確定不同墻厚下EPS苯板厚度的適宜值，圖4，圖5分別繪制了240 mm和370 mm磚墻厚下的傳熱系數變化率隨EPS苯板厚度的變化曲線。從圖4，圖5均可以看出隨著EPS苯板厚度的增加，傳熱系數變化率隨之減小并且逐漸趨近于0。對于240 mm和370 mm墻厚，當EPS苯板厚度分別大于150 mm和130 mm時，傳熱系數變化率分別趨近于0，這說明了繼續增大苯板的厚度對保溫效果的增加意義不大。綜上所述，為了能起到良好的保溫隔熱效果并且避免不必要的經濟損失，在設置保溫層時EPS苯板的厚度不宜設置過厚。

圖4 240 mm厚磚墻復合墻體傳熱系數變化率曲線

圖5 370 mm厚磚墻復合墻體傳熱系數變化率曲線

4 外保溫復合墻體構造做法

按照外墻所需節能效果，以達到對應傳熱系數為標準，可有多重材料組合，故而外墻外保溫系統種類多樣，農宅外墻常用外墻外保溫系統一般為粘貼保溫板法。該法的保溫材料一般為：有機保溫材料多選用模塑聚苯乙烯泡沫塑料板（EPS板）、擠塑聚苯板（XPS板）以及硬泡聚氨酯板（PUR板），無機保溫材料可選擇巖棉板或玻璃棉板等。

按保溫材料的不同，粘貼保溫板外保溫主要做法有：將聚苯板粘貼、釘掛在外墻外表面，覆以玻纖網布后用聚合物水泥砂漿罩面；將巖棉板粘貼并釘掛在外墻外表面后，覆以鋼絲網做聚合物水泥砂漿罩面，也可以把玻璃棉氈釘掛在墻外再覆以外掛板；固定件宜采用尼龍或不銹鋼釘，以避免銹蝕，粘貼保溫板外保溫系統構造如圖6所示。

圖6 粘貼保溫板外保溫系統構造

5 結論

本文對外保溫復合墻體的技術特點進行了概述，然后基于傳熱學的相關知識，結合具體實例對農宅外保溫復合墻體材料的節能性能進行了分析，研究結果表明：

1）外保溫復合墻體具有技術合理以及施工簡單的優越性，是主要的墻體保溫隔熱措施。

2）外保溫復合墻體可以提升建筑空間的舒適度以及結構的耐久性，還可以改善墻體的潮濕情況以及避免熱橋現象的發生。

3）對寒冷地區農宅進行外保溫墻體設計時，應該根據實際情況選擇適當的EPS苯板的厚度，并且考慮到適宜的經濟成本，EPS苯板不宜設置過厚。

4）不同材質的粘貼保溫板法外保溫復合墻體構造做法可為寒冷地區農宅外墻建造提供參考。